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    南開大學“智能科學與技術”專業教學體系與實驗環境建設

    來源:UC論文網2018-08-10 08:56

    摘要:

      1引言  經過近幾十年的發展,智能科學技術已經成為信息領域的重要生長點,其廣泛的應用前景日趨明顯。為了適應社會經濟發展的需求,南開大學于2005年開始建立“智能科學與技術”本科專業,經過一年時間的縝密...

      1引言


      經過近幾十年的發展,智能科學技術已經成為信息領域的重要生長點,其廣泛的應用前景日趨明顯。為了適應社會經濟發展的需求,南開大學于2005年開始建立“智能科學與技術”本科專業,經過一年時間的縝密準備,2006年正式開始招生。該專業以信息學院機器人與信息自動化研究所、自動化系、計算機科學與技術系等單位為學科依托,覆蓋了這些學科上的多個博士點和碩士點。該專業面向前沿高技術,注重系統集成和相應的工程實施能力,以機器人技術等作為載體,強調學生一定的工程實踐能力,并授予工學學士學位。


      作為一個成立不久的新興交叉專業,“智能科學與技術”專業沒有成熟的教學計劃可以遵循。特別是對智能科學這種前沿性交叉學科而言,如何完善人才的培養機制,以滿足國民經濟對于智能技術專業人才的需求,是該專業建設成敗的關鍵性因素。另一方面,21世紀科學技術的交叉與綜合,社會經濟的迅速發展,國際競爭的加劇,對人才的培養機制以及人才的素質、能力、知識結構等方面都提出了新的要求。基于以上原因,為了建設好“智能科學與技術”專業,實現該專業的培養目標,我們必須針對該專業學科交叉的特點,總結傳統教學方法、教學手段的優點與不足,優化課程設置和教學計劃,充分體現該專業面向前沿高技術的優勢,根據應用型、開發型的專門工程技術人才的需要,注重理論聯系實際應用,強調課堂講授與動手實驗相結合。在制定教學體系和有關實驗環節時,我們根據南開大學的辦學特色,研究出一套既能夠充分發揮南開大學的教學優勢,又符合智能專業學科特點的教學模式。


      2兼顧專業特色與南開大學特點的教學計劃設置


      對于南開大學“智能科學與技術”專業而言,能否揚長避短,制訂出結構合理且便于實施的教學計劃,是決定該專業建設成敗的至關重要的環節。


      2.1教學計劃安排


      南開大學信息學院設有計算機科學與技術、自動化等多個本科專業,學科交叉優勢非常明顯,這正是建設“智能科學與技術”專業所必需的學科基礎。此外,南開大學機器人研究所在智能系統設計等方面具有多年的研究經驗,可以將研究成果轉化為教學內容,以進一步提高人才培養的水平。但是,從另一個方面來看,南開大學在腦科學與認知科學等方面開展的研究不多,要在認知理論等領域培養高水平的人才具有一定的難度。基于這種情形,在設計“智能科學與技術”專業的教學計劃時,必須充分發揮我們在機器人研究方面的優勢,重點培養學生在智能系統設計與分析方面的能力,使其針對各種具體要求,能夠選擇合適的傳感與執行器件,集成多種智能技術與策略,完成工程系統的設計。


      不可忽視的是,作為一所綜合性大學,南開大學的工科基礎相對薄弱,缺乏與智能學科有關的其他學科,如機械工程等。在這種大環境下,必須根據“智能科學與技術”本身的專業特點以及南開大學自身的具體情況來設置相應的課程以及教學計劃,探索出一種能夠充分發揮南開大學本身的理科優勢和在機器人等智能系統上的研究經驗,并且帶有顯著工程科學特色的學科建設方法和本科培養模式。為此,該專業所開設的課程和教學計劃應該充分體現面向前沿高技術的特點,強調應用型、開發型的專門工程技術人才的需要,從培養目標、課程設置、實驗及實習安排等方面都必須具有科學而合理的實施方案,使將來的畢業生可以成為在相關領域的研發中迫切需要的智能科學與技術方面的專業人才;這些人才應該也可以面向產業需求,在信息技術、智能家居、控制工程等領域從事智能信息采集與處理、智能系統設計與集成等方面的教育、開發與研究工作;還可以在與智能科學與技術相關的諸多方向繼續深造。


      需要強調的是,“智能科學與技術”專業并不是自動化、計算機等現有專業的簡單組合,而是面向前沿高技術,具有自己獨特定位和完備教學計劃的新興交叉專業。在設計“智能科學與技術”專業的教學計劃時,我們根據南開大學綜合性大學的具體情況,充分考慮到智能專業的多學科交叉特點,重點培養學生在智能系統設計與分析方面的能力,在課程體系中偏重工程技術素養方面的鍛煉,最終將為該專業的畢業生授予工學學位。因此,在選擇教學內容時,我們主要針對智能系統中常見的傳感與執行器件,以及與之相關的各種智能技術進行介紹與分析。通過開設傳感器、運動控制等課程,使學生熟悉各種光、機、電器件特性,使他們能夠針對不同場合下的各種具體應用對象合理選擇各種傳感與執行器件,如壓電陶瓷、激光、聲納、液壓等元件,將其進行集成后完成預定的單元任務,并進而分析、設計和實現機器人等各種綜合性的智能系統。


      實現上述目標的重點在于使學生理解與掌握各種常見的智能技術,并且能夠將其用于解決工程實際問題。因此,除了讓學生學習認知科學基礎、電子技術、計算機、自動控制原理等課程之外,本專業還特別開設了“智能技術”與“智能工程”等數門核心專業課程。此外,由于本專業側重點在于工程實際應用,而各種智能技術必須具備一個起碼的工程載體,因此,在課程計劃中,除了講授各種智能技術之外,還必須包含機械工程基礎、工程光學基礎等課程,使學生通過這些課程的學習,了解常見的光學和機械傳感與執行元件。其中,“工程光學基礎”將主要介紹智能系統中主要的光學傳感與執行器件,該課程配有相應的實驗。通過該課程的學習,學生可以掌握工程光學的基本概念和計算方法,了解常用的光學檢測和執行技術,在此基礎上,能夠根據實際智能系統的需要,選擇合適的光學器件和計算主要的光學參數。


      根據上述設計思路,我們為“智能科學與技術”專業制訂了合理的教學計劃。該專業學生共需取得150個學分,方可獲得工學本科學位。這些學分的具體分配如下:校公共必修課49學分(926個學時),主要學習數學、物理、英語等公共基礎課程;院系公共必修課30.5個學分(659個學時),主要包括電子技術、電路基礎、計算機程序語言等課程;專業必修課29個學分(498個學時),主要包括自動控制原理、智能技術、智能工程等專業核心課程;專業選修課為26.5個學分,學生可以從機器人學導論、數據結構、運動控制等課程中選擇適合自己實際情況的課程來學習,為自己將來從事智能系統方面的研究打下基礎;任選課為15個學分,這部分課程可以拓寬學生的知識面。大部分專業必修課程都安排了實驗或者上機,以通過實際應用增進學生對基本理論的理解。


      2.2核心專業課程


      對于南開“智能科學與技術”專業而言,“智能技術”和“智能工程”等課程是體現專業特色的核心課程,它們在一定程度上決定了是否能實現預期的專業人才培養目標。以下將對這些專業課程進行具體介紹。


      “智能技術”是智能科學與技術專業最重要的核心專業課程之一,包括6個學分。教學中既有理論講授,還包括大量仿真訓練與實驗操作。該課程包括以下三部分:人工智能、計算智能與機器視覺。其中,人工智能以符號主義為主線講授人工智能的基本概念、原理與方法;計算智能以聯接主義為主線講授計算智能的基本思想、方法;而機器視覺是基于模式識別的智能方法,重點講授機器視覺的基本流程與方法。通過智能技術的學習,力爭使學生能夠掌握智能技術的基本原理和方法。通過課堂講解,并配合一定的作業練習、上機實驗等環節,使學生初步具備運用智能技術和方法分析問題和解決問題的能力。


      “智能工程”是一門解剖實際智能系統設計與分析過程的核心專業課程,它與“智能技術”之間是前后承接的關系。該課程將通過分析典型的智能系統講授各種智能技術在工程實際系統中的應用。總體而言,該課程面向智能系統的實際應用,著眼于使學生理解如何解決工程應用中的技術問題。為此,將通過具體分析移動機器人、無線傳感網絡等實際智能系統,使學生了解智能系統的基本結構和各個組成單元,并更好地理解之前所學的信息檢測與傳感、信號處理、運動控制等技術以及各種智能信息處理方法,使學生初步具備綜合運用多種智能技術分析、設計和實現智能系統的能力。


      2.3教學計劃實施


      作為一個多學科交叉的本科專業,“智能科學與技術”的教學內容相對較多。該專業的很多課程都是現有研究生課程的下移,但不能完全沿用研究生的教學內容和授課方式,否則,在知識儲備和學習能力方面的差距將使本科生很難理解、消化、吸收授課內容。因此,在組織教學時,強調授課內容突出重點,以點代面,著重講授基本方法及其實際應用,盡量避免講授枯燥的理論或過于抽象的內容。此外,為了適應學時方面的要求,智能技術和智能工程等課程重點講授清楚一至兩種智能信息處理技術,透徹剖析一至兩個智能系統,并通過隨后的專業實踐等課程,進一步加深學生對各種智能技術和智能系統的理解。


      在我國現行的教育體制中,中學階段和大學階段的學習差異性非常大,很多大學生在入學之初表現出非常明顯的新生綜合癥。此外,很多大學生在專業課程選擇、職業規劃等方面疑慮很多,迫切需要經驗豐富的教師進行引導。基于上述原因,并考慮到“智能科學與技術”專業課程難度較大,我們在該專業中引入了教授學業導師制度。即為該專業的各個班級分配一名學業導師,他們都是本專業年富力強、教學經驗豐富、研究成果突出的中青年知名教授。其中,前兩屆學生的班導師曾分別留學美國康奈爾大學和加州大學伯克利分校。這些班導師可以為學生在專業課程選擇、職業規劃等方面提供非常具體的意見,也可以引導高年級學生積極參加專業實踐,加速學生成才。


      迄今為止,南開大學“智能科學與技術”專業的教學體系已經基本建設完成。現在,該專業已經有三屆學生,教學情況良好,教授學業導師制度也得到了學生的廣泛認可。初步的實踐經驗表明:我們所制訂的教學計劃合理性好,實現了預期的教學效果,可以達到“智能科學與技術”專業人才培養的要求。


      3實驗和實踐環境建設


      3.1整體建設思路


      作為一個面向應用的學科,“智能科學與技術”專業必須非常重視工程訓練。因此,我們除了精心設置有關課程講授基本理論,組織教學實習之外,還必須著眼于實驗室的建設。通過創建高水平的實驗環境,為學生提供一個實踐、測試、研究基本理論的場所,切實增強學生的動手能力和工程創新意識。能否獲得一個高水平的實驗環境,是“智能科學與技術”這個新專業人才培養成功與否的關鍵因素之一。


      南開大學信息學院具備良好的實驗條件,機器人研究所現有的科研設備也可以為“智能技術科學”的本科生提供較好的實踐平臺。盡管如此,原有的實驗室只能滿足“智能科學與技術”專業起步期的教學工作需要,而對于體現專業特色的課程,如智能技術、智能工程等,需要有相關配套實驗,因此必須創建一個高水平的實驗環境,以滿足專業課程教學的需要。考慮到經費和實驗面積兩方面的限制,要想在短期內獲得一個完全滿意的實驗環境,難度很大,因此需要采用分批次、循序漸進的方式建設智能專業的整體實驗環境。一方面,通過一年半左右的時間規劃并建設好“智能科學與技術”實驗室,以滿足“智能技術”、“智能工程”等主要專業課程的教學要求;另一方面,可以借助于機器人研究所等單位的實驗條件,暫時緩解部分課程的實驗壓力。


      3.2“智能科學與技術”實驗室建設


      “智能科學與技術”實驗室的主要作用是開設與智能系統有關的實驗,以體現本專業的特色。所以,建設該實驗室將重點考慮如何為本專業的核心課程提供必不可少的實驗條件,使學生通過大量實驗操作掌握智能系統中測量、感知與執行的基本技術手段與方法,并能對整個系統進行綜合分析與評價,增強學生對所學習基本理論的感性認識,深化其對專業知識的理解。在此基礎上,可以引導學生在實際操作中發現問題,綜合運用所學知識解決問題,訓練學生逐步養成系統整體設計的技能,以培養“智能科學與技術”領域的工程創新性人才。


      自南開大學建立“智能科學與技術”專業以來,我們對于該專業實驗室的建設進行了長期調研,在此基礎上,根據南開大學的學科特點及現有的實驗室基礎,我們規劃了“智能科學與技術”專業實驗室的建設方案,對各個實驗計劃進行了詳細論證。在南開大學新專業建設經費的資助下,南開大學信息學院和教務處、設備處密切合作,籌集資金購置了相應的實驗設備,初步建設完成了“智能科學與技術”專業實驗室。實驗室的主要設備如表1所示,包括機器視覺、移動機器人、磁懸浮系統、三自由度直升機、電梯群控系統等多套實驗系統,這些設備可以基本滿足智能技術、智能系統、專業實踐等課程的教學需要。特別需要指出的是,一些實驗環節,如電梯群智能控制調度及遠程維護系列實驗,是首次引入本科教學體系的實驗課程。


      表1專業實驗室主要設備列表下載原表


      表1專業實驗室主要設備列表


      3.3以科研環境促進實驗教學


      不可否認的是,“智能科學與技術”實驗環境建設是一項任重而道遠的工作,要想在短期內完善實驗環境,使之能夠完全滿足“智能科學與技術”教學的需要,難度很大。在這種情況下,必須開闊思路,采用多種方式進一步拓展實驗渠道,如借助外單位設備組織實驗教學等。


      我校“智能科學與技術”專業的主要依托單位為信息學院機器人與信息自動化研究所。該所在機器人及相關技術的研究方面處于國內領先行列,配置有移動機器人、醫療機器人、無線傳感網絡等多套實驗設備,承擔了大量國家與省部級的研究項目,具備了良好的實驗條件。因此,我們充分利用該所良好的科研環境來促進實驗教學。一方面,我們經常性地組織“智能科學與技術”專業的低年級本科生前來機器人所參觀實習,通過教師的詳細講解,使學生初步認識機器人等智能系統的基本結構和主要組成單元,為將來學習智能技術和智能工程等課程建立感性認識,同時也使他們更好地理解本專業特色,激發學習興趣。另一方面,在專業課程的教授過程中,教師根據具體的教學內容組織學生到機器人所進行各類演示性實驗,使學生更好地理解各類智能技術。除此之外,為了切實提高“智能科學與技術”專業高年級學生的工程創新能力,學生進入大三,初步完成電子技術、計算機、智能技術等專業課程的學習后,我們逐步引導學有余力的學生提前進入實驗室,參與各類研究項目,鼓勵他們應用掌握的知識設計實際工程系統,激勵他們的創新意識。


      3.4專業實踐環節設計


      為了實現“智能科學與技術”交叉工科專業的人才培養目標,必須為學生安排充分合理的教學實踐環節,使學生通過解決實際問題掌握有關理論知識,提高設計與分析智能系統的能力,提高他們對于本專業的信心。在教學計劃中,我們對學生的實習環節進行了精心規劃,在教學的后期,積極引導學生參加各個層次的實踐教學活動。


      在教學計劃中,“智能科學與技術”專業開設“專業實踐”課程,主要目的是讓智能專業的本科生進一步熟悉各類智能系統,針對磁懸浮、直升機等實驗系統設計出合適的智能控制方法,并最終完成算法實現、系統性能測試、研究報告撰寫、期末答辯等工作,力爭使學生能夠應用模糊控制、專家規則等智能控制方法解決工程實際問題。


      除了鼓勵學生積極參加“百項創新”、“挑戰杯”等項目之外,從三年級開始,我們將有針對性地選擇高年級學生進入南開大學機器人所實習,參加國家與省部級科研項目,挖掘他們的創造性潛力,激勵他們今后投身于智能科學與技術學科方向的研究與開發工作。


      另外,為了使學生能夠感受到各種先進技術的具體應用,我們積極尋求適合本專業的教學實踐基地,并就學生的實習環節和部分企業達成了合作意向。


      4結束語


      經過不斷努力,南開大學在“智能科學與技術”新專業教學計劃和實驗環境建設方面取得了不錯的成績。但是,建設好“智能科學與技術”專業是一個長期的過程,必須通過不斷努力,反復論證,逐步完善,才能實現該專業在人才培養方面的宏偉目標。


      在今后的工作中,我們將積極和開設有“智能科學與技術”專業的兄弟學校多進行交流與溝通,不斷總結專業建設過程中的經驗和教訓,逐步完善教學計劃,最終總結出一套行之有效的人才培養方案。在實驗室建設方面,考慮到“智能科學與技術”的工科特色,其實驗和實踐環境建設是一個相對長期的過程,因此必須有充分的思想準備,循序漸進、分批次地建設好“智能科學與技術”專業實驗環境。

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